KR20140127849A

KR20140127849A - 이중관 및 그것을 이용한 용접 구조체

Info

Publication number: KR20140127849A
Application number: KR1020147024647A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 히라타; 미츠루 요시자와; 히데노리 오가와
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-11-04
Also published as: JP5273266B2; KR101561795B1; WO2013118585A1; CN104114730B; EP2813594B1; EP2813594A4; CN104114730A; PT2813594T; EP2813594A1; PL2813594T3; JP2013159840A; IN2014DN06929A

Abstract

특정량의 C, Si, Mn, P, S, Ni＋Cu, Cr, Mo＋W, V, Nb, Ti, B, Al, N 및 O와 잔부가 Fe와 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지는 페라이트계 내열강의 내관과, 특정량의 C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Al, N 및 O와 잔부가 Fe와 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지는 오스테나이트계 내열강의 외관으로 이루어지며, 그 외표면에 〔외관의 두께≥필릿 용접에 의한 용융 깊이＋0.3mm〕의 식을 만족하는 필릿 용접부를 형성하고, 외관 및 내관의 두께(mm)가 〔외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)≤0.4〕의 식을 만족하는 용접 구조체용 이중관은, 내용접 균열성이 뛰어나다. 이 이중관을 이용하면, 예열, 후열, 강의 청정화 등이 처리를 실시하지 않아도, 통상의 서브 머지 아크 용접으로, 관의 외표면에 판, 쇠장식 등을 필릿 용접하여, 각종 고온 기기를 구성하는 용접 구조체를 제조할 수 있다. 내관은 Ca, Mg, REM의 1종 이상, 외관은 Mo, W, Cu, Co, Nb, Ti, V, B, Ca, Mg, REM 중 1종 이상을 포함해도 된다.

Description

이중관 및 그것을 이용한 용접 구조체{DOUBLE PIPE AND WELDED STRUCTURE UTILIZING SAME}

본 발명은, 이중관 및 그것을 이용한 용접 구조체에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 관의 외표면에 판, 쇠장식 등을 필릿 용접하여, 고온 기기의 소재로서 이용할 수 있는 내용접 균열성이 뛰어난 이중관, 및 그 이중관을 이용하여 제조한 고온 기기를 구성하는 용접 구조체에 관한 것이다. 상기의 「용접 구조체」의 구체적인 일례로서는, 관의 외표면 길이 방향에 핀이라고 불리는 판을 필릿 용접한 발전용 보일러의 연소부를 구성하는 패널(이하, 「화로벽」이라고 한다)을 들 수 있다.

근년, 발전용 보일러에 있어서는, 고효율화를 위해 증기의 온도와 압력을 높인 「초초임계압 보일러」 신설이 세계적으로 진행되고 있다. 또한, 지금까지 600℃ 전후였던 증기 온도를 650℃ 이상으로까지 높인 「차세대 초초임계압 보일러」의 실용화에 대해서도 계획되고 있다. 이는, 에너지 절약과 자원의 유효 활용 및 환경 보전을 위한 CO₂ 가스 배출량 삭감이 에너지 문제의 해결 과제 중 하나로 되어 있으며, 중요한 산업 정책으로 되어 있는 것에 의거한다. 그리고, 화석 연료를 연소시키는 발전용 보일러에 있어서는, 고온·고압화가 고효율화에 유리하기 때문이다.

증기의 고온·고압화는, 증기를 수송하는 관, 예를 들어, 과열 기관 및 재과열 기관과 같은 전열관, 및 주 증기관 등의 가동시에 있어서의 온도를 상승시킨다. 따라서, 이러한 가혹한 환경에 있어서 장기간 사용되는 재료에는, 고온 강도 및 고온 내식성뿐만 아니라, 장기간에 걸치는 금속 조직의 안정성 및 양호한 크리프 특성이 요구된다.

그래서, 이들의 관용 재료로서, 특허 문헌 1~3에, Cr 및 Ni의 함유량을 높이고, 게다가, Mo 및 W의 1종 이상을 함유시키며, 고온 강도로서의 크리프 파단 강도의 향상을 도모한 내열 합금이 개시되어 있다.

또한, 더욱 어려워지는 고온 강도 특성에 대한 요구, 특히 크리프 파단 강도에 대한 요구에 대해, 특허 문헌 4~7에는, 질량%로, Cr을 28~38%, Ni를 35~60% 함유하고, Cr을 주체로 한 체심 입방 구조의 α－Cr상의 석출을 활용하여, 크리프 파단 강도의 개선을 더욱 도모한 오스테나이트계 내열 합금이 개시되어 있다.

일본국 특허 공개소 60－100640호 공보 일본국 특허 공개소 64－55352호 공보 일본국 특허 공개평 2－200756호 공보 일본국 특허 공개평 7－216511호 공보 일본국 특허 공개평 7－331390호 공보 일본국 특허 공개평 8－127848호 공보 일본국 특허 공개평 8－218140호 공보 일본국 특허 공개평 6－106237호 공보 일본국 특허 공개소 57－120002호 공보 일본국 특허 공개소 64－17806호 공보 일본국 특허 공개평 5－279801호 공보

화로벽관의 소재로서는, 종래, 탄소강 또는 1.25%Cr－0.5%Mo 강이 널리 이용되고 있다.

그러나, 증기의 고온·고압화에 의해, 화로벽관에 있어서도 보다 뛰어난, 고온 강도 및 고온 내식성이 요구되도록 되어 있다.

그로 인해, 예를 들어, ASME A213 Grade T91 및 Grade T23으로 대표되는, V와 Nb를 함유시켜 강도를 높인 2.25~9%Cr 페라이트계 내열강, 또는 상기 서술한 특허 문헌 1~7에 개시된 오스테나이트계 내열 합금을 사용하고자 하는 움직임이 있다.

상기 서술한 대로, 화로벽은, 화로벽관의 외표면 길이 방향에 핀을 필릿 용접함으로써 패널화된다.

필릿 용접할 때, 9%Cr 페라이트계 내열강에서는, 용접 저온 균열 방지의 관점으로부터, 예열 및/또는 후열의 실시가 필수이다. 그러나, 길이가 긴 화로벽관 전체 또는 길이 방향의 피용접부를 예열하는 것은, 생산 능률을 저하시켜, 비용 증가를 초래한다. 또한, 필릿 용접한 대형의 패널에 대한 후열의 실시에 대해서도, 비용면에서 공업적으로는 현실적이지 않다.

2.25%Cr 페라이트계 내열강은, 예열 및/또는 후열의 생략이 가능하게 되어 있지만, 화로벽관의 필릿 용접에 다용되는 서브 머지 아크 용접 및 MAG 용접에서는, 용접 저온 균열이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 2.25%Cr 페라이트계 내열강에 있어서도, 안정적으로 용접 저온 균열의 발생을 회피하기 위해서는, 상기 9%Cr 페라이트계 내열강의 경우와 마찬가지로, 예열 및/또는 후열의 실시가 필요하게 되므로, 공업적으로는 현실적이지 않다.

한편, 오스테나이트계 내열강(내열 합금)은, 뛰어난 내용접 저온 균열성을 구비하지만, 열팽창 계수가 페라이트계 내열강에 비해 크기 때문에, 변형이 크다. 따라서, 뛰어난 치수 정밀도로 패널을 제작하기 위해, 높은 구속 조건하에서 필릿 용접을 행한 경우에는, 용접 열영향부(이하, 「HAZ」라고 한다)에 고온 균열이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다. 그로 인해, 오스테나이트계 내열강(내열 합금)에 대해서도, 예열 또는 후열을 실시하는 일 없이, 필릿 용접시의 뛰어난 내용접 균열성을 만족시키는 것은 어렵다.

본 발명은, 상기 현상을 감안하여 이루어진 것이며, 예열, 후열 등의 처리를 실시하는 일 없이, 관의 외표면에 판, 쇠장식 등(이하, 간단히 「판」이라고 하는 경우가 있다)을 필릿 용접하여, 각종 고온 기기의 소재로서 이용할 수 있는 내용접 균열성이 뛰어난 이중관, 및 그 이중관을 이용하여 제조한 고온 기기를 구성하는 용접 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해, 페라이트계 내열강관과 판의 필릿 용접성 및 오스테나이트계 내열강(내열 합금)관과 판의 필릿 용접성을 평가하여, 용접 균열의 발생 거동에 대해 상세한 조사를 행했다. 그 결과, 하기 (a) 및 (b)의 사항이 밝혀졌다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 간이를 위해, 오스테나이트계 내열강과 오스테나이트계 내열 합금을 합쳐, 간단히 「오스테나이트계 내열강」이라고 하는 경우가 있다.

(a) 페라이트계 내열강관과 판을 필릿 용접했을 때의 용접 균열은, HAZ의, 용융 경계에 가까운 조대화하고 경화한 영역에 발생한다. 또한, 상기 용접 균열의 발생은, 서브 머지 아크 용접에 의해 필릿 용접한 경우에 현저하며, 파면은 의벽개 파면을 나타내고 있다. 이러한 특징적 현상으로부터, 상기의 용접 균열은 확산성 수소에 기인한 「저온 균열」이라고 판단된다. 또한, 서브 머지 아크 용접을 적용하여 필릿 용접했을 때에 균열의 발생이 현저해지는 이유는, 용접시에 용접 금속에 혼입하여 HAZ로 확산하는 이른바 「확산성 수소」의 양이 많아지는 것에 의한다고 추찰된다.

(b) 오스테나이트계 내열강관과 판을 필릿 용접했을 때의 용접 균열은, HAZ의, 용융 경계에 가까운 조대화한 결정 입계에 발생한다. 균열 파면에는, 용융 자국이 인정되고, 파면상에는 P 및 S의 농화가 인정되며, 강이 B를 함유하는 경우에는, 상기의 P 및 S에 더해 B의 농화도 인정된다. 게다가, 관의 두께가 두꺼울수록 균열의 발생이 현저하다. 이러한 특징적 현상으로부터, 상기의 용접 균열은, P, S 및 B의 입계 편석에 의한 입계의 융점 저하에 기인한 「액화 균열」이라고 판단된다. 또한, 관의 두께가 두꺼울수록 균열 발생이 현저해지는 이유는, 용접시에 발생하는 변형이 커져, 그 결과, 주위에 구속되어 발생하는 「구속 응력」이 커지기 때문이라고 추정된다.

상기의 사항 (a)로부터, 페라이트계 내열강관과 판을 필릿 용접한 경우의 페라이트계 내열강관에 발생하는 저온 균열을 억제하기 위해서는, 다음의 (a－1) 및 (a－2)의 처치를 강구하면 되는 것을 알았다.

(a－1) HAZ의 조대화 및 경화를 억제한다.

(a－2) 용접시에 혼입되는 수소량을 극력 저감시킬 수 있는 용접 방법을 적용하거나, 또는, 예열 및/또는 후열에 의해 수소의 배출을 촉진한다.

그러나, (a－1)의 처치에 대해서는, 판과 필릿 용접할 때에 페라이트계 내열강관을 단관으로 사용하고, HAZ의 조대화를 억제하기 위해 용접 입열을 저감시키면, 냉각 속도가 커지고, 반대로 경화가 촉진된다. 이로 인해, 페라이트계 내열강관을 단관으로 사용하는 경우에, 용접 입열의 저감에 의해 HAZ의 조대화를 억제하는 수법은, 실용상에서는 적용하기 어렵다.

(a－2)의 처치에 대해서는, TIG 용접의 적용에 의해, 용접시에 용접 금속에 혼입되는 확산성 수소의 양을 저감하는 것은 가능하다. 그러나, 예를 들어, 화로벽관과 판의 필릿 용접에 다용되는 서브 머지 아크 용접의 경우에는, 확산성 수소량을 저감시키는 것은 어렵다. 또, 예열 및/또는 후열의 수소 배출 효과는 현저하지만, 상기 서술한 대로, 공업적으로는 현실적이지 않다.

한편, 상기의 사항 (b)로부터, 오스테나이트계 내열강관과 판을 필릿 용접한 경우의 오스테나이트계 내열강관에 발생하는 액화 균열을 억제하기 위해서는, 다음의 (b－1) 및 (b－2)의 처치를 강구하면 되는 것을 알았다.

(b－1) P, S 및 B의 강 중 함유량을 극력 저감시킨다.

(b－2) 관의 두께를 얇게 함으로써 구속 응력을 경감시킨다.

그러나, (b－1)의 처치에 대해서는, 제강 비용의 증대를 초래하기 때문에, 공업적으로는 보다 염가인 수법이 바람직하다.

(b－2)의 처치에 대해서는, 구조물의 강도 확보라고 하는 관점으로부터, 관의 박육화에는 한계가 있다.

그래서 본 발명자들은, 상기의 상반되는 여러 가지의 과제를 해결하기 위해, 새로운 검토를 행했다.

그 결과, 판과의 필릿 용접에 이용하는 관을, 내관이 페라이트계 내열강관이고 외관이 오스테나이트계 내열강관인 이중관으로 하며, 또한, 필릿 용접부의 용융 깊이를 적정화함으로써, 상기의 용접 균열의 방지가 가능하다는 것이 밝혀졌다.

하기의 (c)~(e)가, 본 발명자들이 얻은 새로운 지견이다.

(c) 외관의 두께가 특정 조건, 구체적으로는,

외관의 두께(mm)≥필릿 용접에 의한 용융 깊이(mm)＋0.3mm의 식을 만족하면, 용접시의 용입을 외관측에 멈출 수 있다. 이 경우에는, 내관인 페라이트계 내열강이 고온에 노출되는 일이 없어지므로, 내관 HAZ의 조대화를 억제할 수 있다.

(d) 외관에 수소의 용해도가 큰 오스테나이트계 내열강을 사용함으로써, 용접시에 혼입된 수소의 페라이트계 내열강측으로의 확산을 억제할 수 있다.

(e) 외관의 두께와, 이중관의 전체 두께인 「외관의 두께＋내관의 두께」가 특정 조건, 구체적으로는,

외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)≤0.4

의 식을 만족하면, 이중관 전체의 열변형이 작아져, 외관인 오스테나이트계 내열강에 걸리는 구속 응력을 경감시킬 수 있다.

또한, 지금까지, 화로벽 등 보일러 용도로 사용하는 것을 상정한 이중관이 몇 개 정도 제안되어 있다.

예를 들어, 특허 문헌 8에는, 로 내측의 외관 두께를 두껍게 함으로써, 내식성과 내마모성의 향상을 도모한 이중관이 개시되어 있다.

또, 특허 문헌 9 및 특허 문헌 10에는, 외관 및 내관 모두 오스테나이트계 재료를 사용하여, 내식성과 고온 강도의 양립을 도모한 이중관이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 11에는 내관에 탄소강, 외관에 오스테나이트계의 Cr－Ni－Mo－Fe기 합금을 사용하여, 내열 피로성과 내식성의 양립을 도모한 이중관이 개시되어 있다.

그러나, 특허 문헌 8~11 중 어느 경우도, 본 발명이 해결하고자 하는 과제에 대해서는 전혀 다루지 않았으며, 당연히, 그 대책에 대해서도 개시되어 있지 않다. 따라서, 단순히 특허 문헌 8~11에 개시된 이중관을 이용하여 판과 필릿 용접해도, 용접 균열을 방지하는 것은 도저히 불가능하다.

본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 완성된 것이며, 그 요지는, 하기에 개시하는 용접 구조체용 이중관 및 용접 구조체에 있다.

(1) 하기의 화학 조성 1을 가지는 페라이트계 내열강의 내관과 하기의 화학 조성 2를 가지는 오스테나이트계 내열강의 외관으로 이루어지며, 그 외표면에 하기의 식(1)을 만족하는 필릿 용접부를 형성하여 용접 구조체를 제조하는데 이용하는 이중관으로서, 외관 및 내관의 두께(mm)가 하기의 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체용 이중관.

외관의 두께≥필릿 용접에 의한 용융 깊이＋0.3mm···(1),

외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)≤0.4···(2).

화학 조성 1：

질량%로, C：0.01~0.1%, Si：0.01~0.5%, Mn：0.01~1%, P：0.03% 이하, S：0.01% 이하, Ni 및 Cu의 1종 이상：합계로 0.01~1%, Cr：0.5~3.5%, Mo 및 W의 1종 이상：합계로 0.01~3%, V：0.01~0.5%, Nb：0.005~0.1%, Ti：0.0005~0.1%, B：0.0001~0.02%, Al：0.05% 이하, N：0.0005~0.05% 및 O：0.01% 이하와,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성.

화학 조성 2：

질량%로, C：0.1% 이하, Si：0.01~0.8%, Mn：0.01~2%, P：0.04% 이하, S：0.01% 이하, Ni：5~50%, Cr：15~35%, Al：0.05% 이하, N：0.001~0.25% 및 O：0.01% 이하와,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성.

(2) 상기의 화학 조성 1이, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Ca：0.05% 이하, Mg：0.05% 이하 및 REM：0.1% 이하로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재한 용접 구조체용 이중관.

(3) 상기의 화학 조성 2가, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, 하기의 제1군 내지 제5군에 제시되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재한 용접 구조체용 이중관.

제1군：Mo：10% 이하 및 W：10% 이하로부터 선택되는 1종 이상,

제2군：Cu：5% 이하 및 Co：5% 이하로부터 선택되는 1종 이상,

제3군：Nb：1% 이하, Ti：1% 이하 및 V：1% 이하로부터 선택되는 1종 이상,

제4군：B：0.02% 이하,

제5군：Ca：0.05% 이하, Mg：0.05% 이하 및 REM：0.1% 이하로부터 선택되는 1종 이상.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한쪽에 기재한 이중관을 이용한 것을 특징으로 하는, 용접 구조체.

(5) 화로벽에 이용하는 것을 특징으로 하는, 상기 (4)에 기재한 용접 구조체.

본 발명의 용접 구조체용 이중관은 내용접 균열성이 뛰어나다. 이로 인해, 본 발명의 이중관을 이용하면, 예열, 후열, 강의 청정화 등의 처리를 실시하지 않아도, 통상의 서브 머지 아크 용접에 의해, 관의 외표면에 판, 쇠장식 등을 필릿 용접하여, 각종 고온 기기를 구성하는 용접 구조체를 제조할 수 있다.

도 1은 실시예에서 제작한, 화로벽관의 필릿 용접을 모의한 구속 용접 시험체에 대해 모식적으로 설명하는 도이다.
도 2는 필릿 용접에 의한 용융 깊이를 측정하는 방법에 대해 모식적으로 설명하는 도이다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 각 원소의 함유량의 「%」표시는 「질량%」를 의미한다.

(A) 화학 조성 1(내관(페라이트계 내열강)의 화학 조성)：

C：0.01~0.1%

C는, 담금질성을 높이고, 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직을 안정적으로 얻는데 유효한 원소이다. 또한, C는, 탄화물을 형성하고, 고온에서의 크리프 강도의 확보에 기여한다. 상기의 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 C함유량이 필요하다. 그러나, C를 다량으로 함유한 경우, HAZ의 현저한 경화를 초래하여, 극단적으로 저온 균열 감수성을 높인다. 그로 인해, 상한을 설치하여, C의 함유량을 0.01~0.1%로 했다. C함유량의 하한은, 0.015%로 하는 것이 바람직하고, 0.02%로 하면 더 바람직하다. 또, C함유량의 상한은, 0.09%로 하는 것이 바람직하고, 0.08%로 하면 더 바람직하다.

Si：0.01~0.5%

Si는, 탈산 작용을 가짐과 더불어, 고온에서의 내식성 및 내산화성의 향상에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 Si함유량이 필요하다. 그러나, Si의 과잉 함유는 크리프 연성 및 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Si의 함유량을 0.01~0.5%로 했다. Si함유량의 하한은, 0.05%로 하는 것이 바람직하고, 0.1%로 하면 더 바람직하다. 또, Si함유량의 상한은, 0.45%로 하는 것이 바람직하고, 0.4%로 하면 더 바람직하다.

Mn：0.01~1%

Mn은, Si와 마찬가지로 탈산 작용을 가진다. Mn은, 담금질성을 높이고, 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직을 안정적으로 얻는데 유효한 원소이기도 하다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 Mn함유량이 필요하다. 그러나, Mn을 과잉으로 함유하는 경우, 크리프 취화 및 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Mn의 함유량을 0.01~1%로 했다. Mn함유량의 하한은, 0.05%로 하는 것이 바람직하고, 0.1%로 하면 더 바람직하다. 또, Mn함유량의 상한은, 0.9%로 하는 것이 바람직하고, 0.8%로 하면 더 바람직하다.

P：0.03% 이하

P는, 불순물로서 포함되는 원소이며, S와 더불어 크리프 연성을 저하시킨다. 이로 인해, 상한을 설치하여 P의 함유량을 0.03% 이하로 했다. P함유량의 상한은, 0.028%로 하는 것이 바람직하고, 0.025%로 하면 더 바람직하다. 또한, P의 함유량에는, 특별히 하한은 설치하지 않으나, 극단적인 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 이로 인해, 비용을 중시하는 경우에는, P함유량의 하한은, 0.0005%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다.

S：0.01% 이하

S는, P와 마찬가지로 불순물로서 포함되는 원소이며, 크리프 연성을 저하시킨다. 그로 인해, 상한을 설치하여 S의 함유량을 0.01% 이하로 했다. S함유량의 상한은, 0.008%로 하는 것이 바람직하고, 0.005%로 하면 더 바람직하다. 또한, S의 함유량에는, 특별히 하한은 설치하지 않으나, 극단적인 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 이로 인해, 비용을 중시하는 경우에는, S함유량의 하한은, 0.0001%로 하는 것이 바람직하고, 0.0003%로 하면 더 바람직하다.

Ni 및 Cu의 1종 이상：합계로 0.01~1%

Ni 및 Cu는 모두 담금질성을 높이고, 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직을 얻는데 유효한 원소이다. 상기의 효과는, Ni 및 Cu의 1종 이상을 합계로 0.01% 이상 함유함으로써 얻어진다. 그러나, Ni 및 Cu의 1종 이상을 합계로 1%를 초과하여 함유하면 크리프 연성의 저하를 초래한다. 따라서, Ni 및 Cu의 1종 이상의 함유량을 합계로 0.01~1%로 했다. Ni 및 Cu의 1종 이상의 함유량은, 합계로 0.02% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.03% 이상으로 하면 더 바람직하다. 또, Ni 및 Cu의 1종 이상의 함유량은, 합계로 0.9% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.8% 이하로 하면 더 바람직하다.

또한, Ni와 Cu는 복합으로 함유시킬 필요는 없다. Ni를 단독으로 함유시키는 경우에는, Ni의 함유량이 0.01~1%이면 되고, Cu를 단독으로 함유시키는 경우에는, Cu의 함유량이 0.01~1%이면 된다.

Cr：0.5~3.5%

Cr은, 고온용 강에 있어서 내산화성 및 내고온 부식성을 확보함과 더불어, 매트릭스의 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직을 안정적으로 얻기 위한 필수의 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.5% 이상의 Cr함유량이 필요하다. 그러나, Cr의 과잉 함유는, 다량의 Cr탄화물의 생성에 의한 탄화물의 안정성을 저하시켜, 크리프 강도 및 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Cr의 함유량을 0.5~3.5%로 했다. Cr함유량의 하한은, 0.8%로 하는 것이 바람직하고, 1%로 하면 더 바람직하다. 또, Cr함유량의 상한은, 3.2%로 하는 것이 바람직하고, 3.0%로 하면 더 바람직하다.

Mo 및 W의 1종 이상：합계로 0.01~3%

Mo 및 W는 모두 매트릭스를 고용 강화하여, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Mo 및 W의 1종 이상을 합계로 0.01% 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, Mo 및 W의 1종 이상을 합계로 3%를 초과하여 함유하면, 조대한 금속간 화합물 및 탄화물을 생성하여, 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Mo 및 W의 1종 이상의 함유량을 합계로 0.01~3%로 했다. Mo 및 W의 1종 이상의 함유량은, 합계로 0.03% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다. 또, Mo 및 W의 1종 이상의 함유량은, 합계로 2.8% 이하로 하는 것이 바람직하고, 2.5% 이하로 하면 더 바람직하다.

또한, Mo와 W는 복합으로 함유시킬 필요는 없다. Mo를 단독으로 함유시키는 경우에는, Mo의 함유량이 0.01~3%이면 되고, W를 단독으로 함유시키는 경우에는, W의 함유량이 0.01~3%이면 된다.

V：0.01~0.5%

V는, 입(粒) 내에 미세한 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 크게 기여하는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 V함유량이 필요하다. 그러나, V를 과잉으로 함유하면 탄질화물의 성장 속도의 증대를 초래하여, 탄질화물의 분산 강화 효과가 조기에 소실됨과 더불어, 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, V의 함유량을 0.01~0.5%로 했다. V함유량의 하한은, 0.03%로 하는 것이 바람직하고, 0.05%로 하면 더 바람직하다. 또, V함유량의 상한은, 0.45%로 하는 것이 바람직하고, 0.4%로 하면 더 바람직하다.

Nb：0.005~0.1%

Nb는, V와 마찬가지로 입 내에 고온까지 안정적인 미세 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 크게 기여하는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.005% 이상의 Nb함유량이 필요하다. 그러나, Nb를 과잉으로 함유하면, 탄질화물의 성장 속도의 증대를 초래하여, 탄질화물의 분산 강화 효과가 조기에 소실됨과 더불어, 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Nb의 함유량을 0.005~0.1%로 했다. Nb함유량의 하한은, 0.008%로 하는 것이 바람직하고, 0.01%로 하면 더 바람직하다. 또, Nb함유량의 상한은, 0.09%로 하는 것이 바람직하고, 0.08%로 하면 더 바람직하다.

Ti：0.0005~0.1%

Ti는, 고온까지 안정적인 미세 질화물을 형성하고, 피닝 효과에 의해, HAZ에서의 결정립의 조대화를 억제하여, 간접적으로 저온 균열 방지에 효과를 가진다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.0005% 이상의 Ti함유량이 필요하다. 그러나, Ti를 과잉으로 함유하면, 질화물이 조대해져, 피닝 효과가 소실됨과 더불어, 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Ti의 함유량을 0.0005~0.1%로 했다. Ti함유량의 하한은, 0.0008%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다. 또, Ti함유량의 상한은, 0.09%로 하는 것이 바람직하고, 0.08%로 하면 더 바람직하다.

B：0.0001~0.02%

B는, 강의 담금질성을 높이고, 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직을 안정화시켜, 고온 강도에 기여한다. 상기의 효과를 얻기 위해서는, 0.0001% 이상의 B함유량이 필요하다. 그러나, B를 다량으로 함유하면, HAZ의 현저한 경화를 초래하여, 저온 균열 감수성을 높인다. 그로 인해, 상한을 설치하여, B의 함유량을 0.0001~0.02%로 했다. B함유량의 하한은, 0.0005%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다. 또, B함유량의 상한은, 0.018%로 하는 것이 바람직하고, 0.015%로 하면 더 바람직하다.

Al：0.05% 이하

Al은, 탈산 효과를 가지지만, 과잉으로 함유되면 크리프 연성 및 인성의 저하를 초래한다. 이로 인해, 상한을 설치하여 Al의 함유량을 0.05% 이하로 했다. Al함유량의 상한은, 0.045%로 하는 것이 바람직하고, 0.04%로 하면 더 바람직하다. 또한, Al의 함유량에는, 특별히 하한은 설치하지 않으나, 과도한 저감은, 탈산 효과가 충분히 얻어지지 않고 강의 청정성을 저하시킴과 더불어, 제조 비용의 증대를 초래한다. 이로 인해, Al함유량의 하한은, 0.0005%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다.

N：0.0005~0.05%

N은, V, Nb 또는 Ti와 결합하여 미세한 질화물을 형성하고, 크리프 강도의 확보에 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.0005% 이상의 N함유량이 필요하다. 그러나, N을 과잉으로 함유하면, 매트릭스의 취화를 초래함과 더불어, 조대한 질화물의 석출을 초래하여, 인성을 저하시킨다. 그로 인해, 상한을 설치하여, N의 함유량을 0.0005~0.05%로 했다. N함유량의 하한은, 0.0008%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다. 또, N함유량의 상한은, 0.045%로 하는 것이 바람직하고, 0.04%로 하면 더 바람직하다.

O：0.01% 이하

O는, 불순물로서 존재하는 원소이다. O가 다량으로 포함되는 경우에는, 다량의 산화물을 생성하고, 가공성 및 연성을 열화시킨다. 그로 인해, 상한을 설치하여 O의 함유량을 0.01% 이하로 했다. O함유량의 상한은, 0.009%로 하는 것이 바람직하고, 0.008%로 하면 더 바람직하다. 또한, O의 함유량에는, 특별히 하한은 설치하지 않으나, 극단적인 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 이로 인해, 비용을 중시하는 경우에는, O함유량의 하한은, 0.0005%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다.

본 발명의 용접 구조체용 이중관의 내관(페라이트계 내열강)이 가지는 「화학 조성 1」 중 하나는, 상기 서술한 각 원소와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것이다.

또한, 「불순물」이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

본 발명의 용접 구조체용 이중관의 내관(페라이트계 내열강)이 가지는 「화학 조성 1」 외 다른 하나는, 상기 Fe의 일부를 대신하여, Ca, Mg 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것이다.

이하, 임의 원소인 상기 Ca, Mg 및 REM의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

Ca：0.05% 이하

Ca는, 강의 열간 가공성을 개선하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Ca의 함유량이 과잉이 되면, O와 결합하여 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 손상시킨다. 이로 인해, 함유시키는 경우의 Ca의 함유량에 상한을 설치하여, 0.05% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Ca의 함유량은 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Ca의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Ca의 함유량은, 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mg：0.05% 이하

Mg는, Ca와 마찬가지로, 강의 열간 가공성을 개선하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Mg의 함유량이 과잉이 되면, O와 결합하여 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 손상시킨다. 이로 인해, 함유시키는 경우의 Mg의 함유량에 상한을 설치하여, 0.05% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Mg의 함유량은 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Mg의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Mg의 함유량은, 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

REM：0.1% 이하

REM은, S와의 친화력이 강하고, 강의 열간 가공성을 개선하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, REM의 함유량이 과잉이 되면, O와 결합하여 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 손상시킨다. 이로 인해, 함유시키는 경우의 REM의 함유량에 상한을 설치하여, 0.1% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 REM의 함유량은 0.08% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 REM의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 REM의 함유량은, 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

「REM」이란, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소의 총칭이며, REM의 함유량은 REM 중 1종 또는 2종 이상의 원소의 합계 함유량을 가리킨다.

또한, REM에 대해서는, 일반적으로 미슈 메탈에 함유된다. 이로 인해, 예를 들어, 미슈 메탈의 형태로 첨가하여, REM의 양이 상기의 범위가 되도록 함유시켜도 된다.

상기의 Ca, Mg 및 REM은, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종 이상의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소를 복합으로 함유시키는 경우의 합계량은, 0.2%여도 되지만, 0.14% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(B) 화학 조성 2(외관(오스테나이트계 내열강)의 화학 조성)：

C：0.1% 이하

C는, 오스테나이트 조직을 안정적으로 하는데 유효하지만, 고온에서의 사용 중에 탄화물을 생성하여, 내식성의 저하를 초래한다. 특히, C의 함유량이 0.1%를 초과하면, 고온에서의 사용 중에 내식성의 저하가 현저해진다. 이로 인해, 상한을 설치하여 C의 함유량을 0.1% 이하로 했다. C함유량의 상한은, 0.06%로 하는 것이 바람직하고, 0.03%로 하면 더 바람직하다. 또한, C의 함유량에는, 특별히 하한은 설치하지 않으나, 극단적인 저감은 제강 비용의 증대를 초래함과 더불어, 오스테나이트 조직의 안정성을 손상시킨다. 이로 인해, C함유량의 하한은 0.003%로 하는 것이 바람직하고, 0.005%로 하면 더 바람직하다.

Si：0.01~0.8%

Si는, 탈산 작용을 가짐과 더불어, 고온에서의 내식성 및 내산화성의 향상에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 Si함유량이 필요하다. 그러나, Si의 함유량이 과잉이 되면, 오스테나이트상의 안정성이 저하하여, 크리프 강도 및 인성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Si의 함유량을 0.01~0.8%로 했다. Si함유량의 하한은, 0.05%로 하는 것이 바람직하고, 0.1%로 하면 더 바람직하다. 또, Si함유량의 상한은, 0.75%로 하는 것이 바람직하고, 0.7%로 하면 더 바람직하다.

Mn：0.01~2%

Mn은, Si와 마찬가지로 탈산 작용을 가지는 것에 더해, 오스테나이트 조직을 안정시키는 작용도 가진다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 Mn함유량이 필요하다. 그러나, Mn의 함유량이 과잉이 되면, 취화가 발생하고, 인성 및 크리프 연성이 저하한다. 이로 인해, 상한을 설치하여, Mn의 함유량을 0.01~2%로 했다. Mn함유량의 하한은, 0.05%로 하는 것이 바람직하고, 0.1%로 하면 더 바람직하다. 또, Mn함유량의 상한은, 1.9%로 하는 것이 바람직하고, 1.8%로 하면 더 바람직하다.

P：0.04% 이하

P는, 불순물로서 강 중에 포함되고, 오스테나이트계 내열강에 있어서는, 용접 중에 HAZ의 결정 입계에 편석하여, 액화 균열 감수성을 높이는 원소이다. 그로 인해, P의 함유량은 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 그로 인해, P의 함유량을 0.04% 이하로 했다. P함유량의 상한은, 0.035%로 하는 것이 바람직하고, 0.03%로 하면 더 바람직하다.

S：0.01% 이하

S는, P와 마찬가지로 불순물로서 강 중에 포함되고, 오스테나이트계 내열강의 액화 균열 감수성을 높임과 더불어, 장시간 사용 후의 인성에도 악영향을 미치는 원소이다. 그로 인해, S의 함유량은 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 그로 인해, S의 함유량을 0.01% 이하로 했다. S함유량의 상한은, 0.008%로 하는 것이 바람직하고, 0.005%로 하면 더 바람직하다.

Ni：5~50%

Ni는, 오스테나이트 조직을 얻기 위해 필수의 원소임과 더불어, 수소의 용해도가 크고, 본 발명에 있어서는, 용접 중에 혼입되는 확산성 수소의 내관측으로의 확산을 억제하여, 저온 균열 감수성의 저감에 간접적으로 기여한다. 본 발명의 Cr함유량의 범위(15~35%)에서 상기의 효과를 얻기 위해서는, 5% 이상의 Ni함유량이 필요하다. 그러나, Ni는 고가의 원소이기 때문에, 다량의 함유는 비용의 증대를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, Ni의 함유량을 5~50%로 했다. Ni함유량의 하한은, 6%로 하는 것이 바람직하고, 7%로 하면 더 바람직하다. 또, Ni함유량의 상한은, 49%로 하는 것이 바람직하고, 48%로 하면 더 바람직하다.

Cr：15~35%

Cr은, 고온에서의 내산화성 및 내식성의 확보를 위한 필수의 원소이다. 본 발명의 Ni함유량의 범위(5~50%)에서 상기의 효과를 얻기 위해서는, 15% 이상의 Cr함유량이 필요하다. 그러나, Cr의 함유량이 35%를 초과하면, 고온에서의 오스테나이트상의 안정성이 열화하고, 크리프 강도의 저하를 초래한다. 따라서, Cr의 함유량을 15~35%로 했다. Cr함유량의 하한은, 15.5%로 하는 것이 바람직하고, 16%로 하면 더 바람직하다. 또, Cr함유량의 상한은, 34%로 하는 것이 바람직하고, 33%로 하면 더 바람직하다.

Al：0.05% 이하

Al은, 탈산 효과를 가지지만, 과잉으로 함유되면 크리프 연성의 저하를 초래한다. 이로 인해, 상한을 설치하여 Al의 함유량을 0.05% 이하로 했다. Al함유량의 상한은, 0.045%로 하는 것이 바람직하고, 0.04%로 하면 더 바람직하다. 또한, Al의 함유량에는, 특별히 하한은 설치하지 않으나, 과도한 저감은, 탈산 효과가 충분히 얻어지지 않고 강의 청정성을 저하시킴과 더불어, 제조 비용의 증대를 초래한다. 이로 인해, Al함유량의 하한은, 0.0005%로 하는 것이 바람직하고, 0.001%로 하면 더 바람직하다.

N：0.001~0.25%

N은, 오스테나이트상을 안정적으로 하는데 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.001% 이상의 N함유량이 필요하다. 그러나, N의 함유량이 과잉이 되면, 다량의 질화물이 석출하여, 연성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 상한을 설치하여, N의 함유량을 0.001~0.25%로 했다. N함유량의 하한은, 0.002%로 하는 것이 바람직하고, 0.003%로 하면 더 바람직하다. 또, N함유량의 상한은, 0.24%로 하는 것이 바람직하고, 0.23%로 하면 더 바람직하다.

O：0.01% 이하

본 발명의 용접 구조체용 이중관의 외관(오스테나이트계 내열강)이 가지는 「화학 조성 2」 중 하나는, 상기 서술한 각 원소와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것이다. 또한, 이미 설명한 바와 같이, 「불순물」이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

본 발명의 용접 구조체용 이중관의 외관(오스테나이트계 내열강)이 가지는 「화학 조성 2」 중 다른 하나는, 상기 Fe의 일부를 대신하여, Mo, W, Cu, Co, Nb, Ti, V, B, Ca, Mg 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것이다.

이하, 임의 원소인 상기 Mo 내지 REM의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대해, 각 군으로 나누어 설명한다.

제1군：Mo：10% 이하 및 W：10% 이하로부터 선택되는 1종 이상

Mo：10% 이하

Mo는, 매트릭스에 고용하여 고온에서의 크리프 강도의 향상에 크게 기여한다. Mo는, 내식성의 향상에도 효과가 있다. 이로 인해, 필요에 따라 Mo를 함유시켜도 된다. 그러나, Mo의 함유량이 10%를 초과하면 상기의 효과가 포화함과 더불어, 금속간 화합물이 형성되어, 오히려 특성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우의 Mo의 함유량을 10% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Mo의 함유량은 9% 이하로 하는 것이 바람직하고, 8% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 Mo의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Mo의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

W：10% 이하

W는, Mo와 마찬가지로, 매트릭스에 고용하여 고온에서의 크리프 강도의 향상에 크게 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, W의 함유량이 10%를 초과해도 상기의 효과가 포화함과 더불어, 금속간 화합물이 형성되어, 연성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우의 W의 함유량을 10% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 W의 함유량은 9.8% 이하로 하는 것이 바람직하고, 9% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 W의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 W의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

제1군의 원소인 Mo 및 W는, 고온에서의 크리프 강도의 향상을 위해, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소를 복합으로 함유시키는 경우의 합계량은 20%여도 되지만, 17% 이하로 하는 것이 바람직하다.

제2군：Cu：5% 이하 및 Co：5% 이하로부터 선택되는 1종 이상

Cu：5% 이하

Cu는, Ni와 마찬가지로 오스테나이트 생성 원소이며, 오스테나이트상의 안정성을 높이므로, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 과잉이 되면, 열간 가공성의 저하를 초래한다. 이로 인해, 함유시키는 경우의 Cu의 함유량에 상한을 설치하여, 5% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Cu의 함유량은 4% 이하로 하는 것이 바람직하고, 3.5% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 Cu의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Cu의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

Co：5% 이하

Co는, Ni 및 Cu와 마찬가지로 오스테나이트 생성 원소이며, 오스테나이트상의 안정성을 높이므로, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Co는 매우 고가의 원소이기 때문에, 과잉으로 함유시키면 대폭적인 비용 증가를 초래한다. 그로 인해, 함유시키는 경우의 Co의 함유량에 상한을 설치하여, 5% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Co의 함유량은 4% 이하로 하는 것이 바람직하고, 3.5% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 Co의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Co의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

제2군의 원소인 Cu 및 Co는, 오스테나이트상의 안정성을 높이기 때문에, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소를 복합으로 함유시키는 경우의 합계량은 10%여도 되지만, 7% 이하로 하는 것이 바람직하다.

제3군：Nb：1% 이하, Ti：1% 이하 및 V：1% 이하로부터 선택되는 1종 이상

Nb：1% 이하

Nb는, C와 결합하여 미세한 탄화물을, 또한, C 및 N과 결합하여 미세한 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 기여하므로, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Nb의 함유량이 과잉이 되면, 탄화물 및 탄질화물이 조대하고 다량으로 석출하여, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 함유시키는 경우의 Nb의 함유량에 상한을 설치하여, 1% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Nb의 함유량은 0.9% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.8% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 Nb의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Nb의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

Ti：1% 이하

Ti는, Nb와 마찬가지로, 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, Ti의 함유량이 과잉이 되면, 탄질화물이 다량으로 석출하여, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 함유시키는 경우의 Ti의 함유량에 상한을 설치하여, 1% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Ti의 함유량은 0.9% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.8% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 Ti의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Ti의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

V：1% 이하

V는, Nb 및 Ti와 마찬가지로, 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도의 향상에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, V의 함유량이 과잉이 되면, 탄질화물이 다량으로 석출하여, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그로 인해, 함유시키는 경우의 V의 함유량에 상한을 설치하여, 1% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 V의 함유량은 0.9% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.8% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 V의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 V의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05% 이상으로 하면 더 바람직하다.

제3군의 원소인 Nb, Ti 및 V는, 크리프 강도의 향상을 위해, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종 이상의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소를 복합으로 함유시키는 경우의 합계량은 3%여도 되지만, 2.4% 이하로 하는 것이 바람직하다.

제4군：B：0.02% 이하

B는, 입계에 편석하여 입계를 강화함과 더불어 입계 탄화물을 미세 분산시킴으로써, 크리프 강도를 향상시키므로, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, B의 함유량이 다량이 되면, 용접 중의 용접열 사이클에 의해 용융 경계 근방의 고온 HAZ에 있어서 다량으로 편석하고, 입계의 융점을 저하시켜 액화 균열 감수성을 높인다. 그로 인해, 함유시키는 경우의 B의 함유량에 상한을 설치하여, 0.02% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 B의 함유량은 0.018% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.015% 이하로 하면 더 바람직하다.

한편, 상기한 B의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 B의 함유량은, 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.001% 이상으로 하면 더 바람직하다.

제5군：Ca：0.05% 이하, Mg：0.05% 이하 및 REM：0.1% 이하로부터 선택되는 1종 이상

Ca：0.05% 이하

Mg：0.05% 이하

REM：0.1% 이하

REM은, S와의 친화력이 강하고, 강의 열간 가공성을 개선하기 때문에, 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, REM의 함유량이 과잉이 되면, O와 결합하여 청정성을 현저하게 저하시키고, 오히려 열간 가공성을 손상시킨다. 이로 인해, 함유시키는 경우의 REM의 함유량에 상한을 설치하여, 0.1% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 REM의 함유량은 0.08% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이미 설명한 바와 같이, 「REM」이란, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소의 총칭이며, REM의 함유량은 REM 중 1종 또는 2종 이상의 원소의 합계 함유량을 가리킨다.

제5군의 원소인 Ca, Mg 및 REM은, 열간 가공성의 향상을 위해, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종 이상의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소를 복합으로 함유시키는 경우의 합계량은 0.2%여도 되지만, 0.14% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(C) 외관의 두께와 필릿 용접에 의한 용융 깊이의 관계：

필릿 용접에 의한 용융 깊이가 이중관의 내관에까지 도달하면, 융점 바로 아래의 고온에 노출되어 조대화, 경화한 HAZ가 내관을 구성하는 페라이트계 내열강 내에 발생한다. 그리고, 용접 중에 용접 금속으로부터 혼입된 수소가 확산하여 상기의 HAZ에 침입함으로써, 내관 HAZ에 저온 균열이 발생한다.

그러나, 이중관의 외관의 두께(mm)가, 필릿 용접부의 용융 깊이(mm)와의 관계에서,

외관의 두께≥필릿 용접에 의한 용융 깊이＋0.3mm···(1)

의 식을 만족하면, 용접시의 용입이 외관측에 멈추므로, 내관의 페라이트계 내열강이 융점 바로 아래의 고온에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 내관 HAZ의 조대화 및 경화가 억제되며, 게다가, 용접 금속으로부터 내관 HAZ로의 수소의 확산도 억제되므로, 내관 HAZ에 있어서의 저온 균열의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 내관의 페라이트계 내열강이 융점 바로 아래의 고온에 노출되는 것을 안정적으로 방지하기 위해, 외관의 두께는, 「필릿 용접에 의한 용융 깊이＋0.5mm」 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(D) 외관의 두께와 이중관의 전체 두께인 「외관의 두께＋내관의 두께」의 관계：

이중관의 외관의 두께가 두꺼운 경우, 필릿 용접시에 발생하는 변형이 크고, 그 변형이 주위에 구속되어 발생하는 「구속 응력」이 커져, 외관을 구성하는 오스테나이트계 내열강에 액화 균열이 발생한다.

그러나, 외관의 두께와, 이중관의 전체 두께인 「외관의 두께＋내관의 두께」가,

외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)≤0.4···(2)

의 식을 만족하면, 상기의 「구속 응력」이 경감되므로, 외관에 있어서의 액화 균열의 발생을 방지할 수 있다.

단, 「외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)」가 너무 작아지면, 이중관의 제조가 어려워진다. 이로 인해, 「외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)」는 0.1 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 이중관은, 외관과 내관이 야금적으로 결합한 밀착 이중관이며, 「클래드관」이라고 칭하는 경우도 있다.

상기 이중관의 제조 방법으로서 예를 들어, 외관을 구성하는 오스테나이트계 내열강의 중공 빌릿 안에, 내관을 구성하는 페라이트계 내열강의 빌릿을 삽입하여 조립한 소재를, 열간 압출법, 롤 압연법 등의 이른바 「열간 제관법」에 의해 외관과 내관을 일체화시켜 제관하는 방법이 있다. 통상, 상기 빌릿의 조립은 이웃면의 청정성 확보를 위해, 진공 중 또는 불활성 가스 분위기에서 행해진다. 상기의 열간 제관한 이중관에 대해, 압연 또는 인발 등의 냉간 가공을 실시하고, 또한, 열처리를 행하여 요구되는 형상의 이중관으로 한다. 또, 본 발명에 따른 이중관은, 이러한 방법에 의해 제조한 이중관들을 맞대어 용접해 장척화한 것이어도 된다.

이중관의 외표면에 길이 방향으로 연장되는 필릿 용접부는 이중관의 전체 길이 또는 그 일부여도 된다.

또한, 필릿 용접에 의해 이중관 외표면에 용접되는 피용접물은, 예를 들어, 탄소강, 페라이트계 내열강, 오스테나이트계 내열강 등, 필요한 기능에 따라 선정하면 된다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

표 1에 기재하는 화학 조성을 가지는 페라이트계 내열강 1~3 및 오스테나이트계 내열강 4~6을 이용하고, 열간 제관법에 의해, 표 2에 기재하는 내관 및 외관으로 이루어지는 외경 63mm의 이중관 T1~T7을 제작했다.

[표 1]

[표 2]

이중관 T1~T7을 200mm 길이로 절단하고, JIS G 3106(2008)에 규정된 SM490B제의 길이 200mm로 절단한 두께 6mm, 폭 15mm의 시험편을 핀 바로서 이용하여, 도 1에 도시하는 화로벽관의 필릿 용접을 모의한 구속 용접 시험체를 제작했다.

또한, 각 이중관과, 상기 SM490B제의 시험편의 필릿 용접은, 도 1에 도시하는 시험 용접 1 내지 4의 4개소에서 행했다. 구체적으로는, 시판의 용접 와이어(AWS 규격 A5.14 ER NiCrCoMo－1) 및 본드 플럭스를 이용하고, 입열 4~12kJ/cm로 서브 머지 아크 용접하여 실시했다.

얻어진 각 구속 용접 시험체에 대해, 피검면이 횡단면이 되도록 시험편을 5개씩 잘라, 경면 연마했다.

이어서, 시험편을 혼산으로 부식시킨 후, 광학 현미경에 의해 검사하여, 각 구속 용접 시험체에 대해 합계 20개소(5시험편×4시험 용접 개소)의 용접부에 대해, 도 2에 도시하는 방법으로, 필릿 용접에 의한 용융 깊이를 측정함과 더불어, 내관측에서의 저온 균열 및 외관측에서의 액화 균열의 유무를 조사했다. 저온 균열 및 액화 균열의 양방이 발생하지 않았던 구속 용접 시험체만을 「합격」이라고 판정하고, 그 외는 「불합격」이라고 판정했다.

표 3에, 용접 입열과 더불어 상기의 조사 결과를 기재한다.

[표 3]

표 3에 기재하는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 구속 용접 시험체 J1~J6 및 J9~J14는, 이중관의 내측에서의 저온 균열 및 외관측에서의 액화 균열의 양방의 발생은 인정되지 않았다.

이에 비해, 구속 용접 시험체 J7에 있어서는, 필릿 용접에 의한 용입 깊이가 1.4mm로, 이중관의 외관 두께에 비해 컸기 때문에, 내관의 페라이트계 내열강이 고온에 노출되어, 결정립의 조대화가 발생함과 더불어 경화하며, 또한, 용접시에 혼입한 수소가 내관측에 확산, 침입한 결과, 내관측에서 저온 균열이 발생했다.

또, 구속 용접 시험체 J8은, 이용한 이중관 T5의 외관의 두께가 강관 전체의 두께에 비해 두껍기 때문에, 외관의 오스테나이트계 내열강에 발생하는 구속 응력이 커진 결과, 액화 균열이 발생했다.

표 3으로부터 명백하듯이, 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 이중관만이, 본 발명의 목적으로 하는 화로벽관과 같이 관표면을 필릿 용접하여 이용되는 경우에 있어서도 충분한 내용접 균열성을 가지는 것을 알았다.

산업상의 이용 가능성

Claims

하기의 화학 조성 1을 가지는 페라이트계 내열강의 내관과 하기의 화학 조성 2를 가지는 오스테나이트계 내열강의 외관으로 이루어지며, 그 외표면에 하기의 식(1)을 만족하는 필릿 용접부를 형성하여 용접 구조체를 제조하는데 이용하는 이중관으로서, 외관 및 내관의 두께(mm)가 하기의 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체용 이중관.
외관의 두께≥필릿 용접에 의한 용융 깊이＋0.3mm···(1),
외관의 두께/(외관의 두께＋내관의 두께)≤0.4···(2).
화학 조성 1：
질량%로, C：0.01~0.1%, Si：0.01~0.5%, Mn：0.01~1%, P：0.03% 이하, S：0.01% 이하, Ni 및 Cu의 1종 이상：합계로 0.01~1%, Cr：0.5~3.5%, Mo 및 W의 1종 이상：합계로 0.01~3%, V：0.01~0.5%, Nb：0.005~0.1%, Ti：0.0005~0.1%, B：0.0001~0.02%, Al：0.05% 이하, N：0.0005~0.05% 및 O：0.01% 이하와,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성.
화학 조성 2：
질량%로, C：0.1% 이하, Si：0.01~0.8%, Mn：0.01~2%, P：0.04% 이하, S：0.01% 이하, Ni：5~50%, Cr：15~35%, Al：0.05% 이하, N：0.001~0.25% 및 O：0.01% 이하와,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성.
청구항 1에 있어서,
상기의 화학 조성 1이, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Ca：0.05% 이하, Mg：0.05% 이하 및 REM：0.1% 이하로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체용 이중관.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기의 화학 조성 2가, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, 하기의 제1군 내지 제5군에 제시되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체용 이중관.
제1군：Mo：10% 이하 및 W：10% 이하로부터 선택되는 1종 이상,
제2군：Cu：5% 이하 및 Co：5% 이하로부터 선택되는 1종 이상,
제3군：Nb：1% 이하, Ti：1% 이하 및 V：1% 이하로부터 선택되는 1종 이상,
제4군：B：0.02% 이하,
제5군：Ca：0.05% 이하, Mg：0.05% 이하 및 REM：0.1% 이하로부터 선택되는 1종 이상.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 이중관을 이용한 것을 특징으로 하는, 용접 구조체.
청구항 4에 있어서,
화로벽에 이용하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체.